Особенности проектирования гидроэлектростанций

Гидроэнергостроительство в СССР осуществляется в районах с самыми разнообразными природными условиями. Это обусловливает многообразие применяемых в СССР типов станций, конструктивных решений сооружений, особенностей методов производства работ и их механизации.

Гидроэнергетическое строительство в СССР, за исключением районов Средней Азии и Закавказья, до последнего времени осуществлялось преимущественно на реках равнинных районов европейской части СССР. Реки эти характеризуются широкими поймами, небольшими уклонами, резко неравномерным водным режимом и тяжелыми ледовыми условиями.

Русла и долины рек сложены мощными мелкозернистыми аллювиальными отложениями. Очень часто подстилающие их коренные породы также представлены слабыми нескальными грунтами.

В указанных природных условиях длина подпорных сооружений гидроузлов получалась весьма большой, равно как и объемы строительных работ по возведению этих подпорных сооружений.

Наиболее эффективное снижение стоимости строительства гидроэлектростанций могло быть получено при максимальном использовании местных строительных материалов — земли, песчано-гравийных материалов и местного камня.

С другой стороны, большие величины паводковых расходов предопределили необходимость устройства значительного по длине фронта бетонных водосбросных сооружений.

В целях уменьшения длины этого фронта и объема бетонных работ были проведены большие научно-исследовательские работы, в результате чего удалось разработать конструкции водосбросных сооружений с большими удельными расходами на 1 пог. м водосбросов, а также типы и конструкции совмещенных зданий гидроэлектростанций, сброс воды через которые позволил уменьшить длину водосбросных плотин, а в ряде случаев совершенно отказаться от их сооружения. Это позволило значительно уменьшить объем бетонных работ по гидроузлам.

Рис. Схема Днепровского каскада

Всю остальную длину напорного фронта сооружений на подавляющем числе гидроэнергетических узлов удавалось перекрывать глухими плотинами из местных строительных материалов.

Проведенными научно-исследовательскими и экспериментальными работами удалось добиться возможности постройки таких плотин практически из любых местных строительных материалов, в том числе даже из мелкозернистых песков и лессов. Укладка тела таких земляных плотин, кроме обычных сухопутных способов, в больших масштабах проводилась путем гидромеханизации, а также отсыпкой грунта в воду.

Характерной особенностью гидроэнергостроительства в СССР является его комплексность. Возводимые гидросооружения, как правило, решают не только энергетические задачи, но и отвечают интересам ирригации, водного транспорта, борьбы с паводками и т. д. Так, например, все гидроэлектростанции в Средней Азии наряду с получением гидроэнергии обеспечивают орошение сотен тысяч гектаров засушливых и пустынных земель.

После завершения Волжского и Нижне-Днепровского каскадов Волга и Днепр превратятся в глубоководные транспортные магистрали. Вместе с тем открываются широкие возможности для проведения крупнейших оросительных мероприятий в засушливых районах Поволжья и Юга Украины. Планомерно осуществляемый принцип комплексного использования энергетических запасов позволяет значительно повысить общий народнохозяйственный эффект освоения водных ресурсов страны.

Второй особенностью проектирования гидроэлектростанций в СССР является каскадность ГЭС, что вытекает из сущности разработки схем использования водотоков и планового выдвижения объектов к строительству.

Из числа таких каскадов следует в первую очередь отметить Волжский, Днепровский, Ангарский, Севано-Разданский, Чирчик-Бозсуйский каскады, а также Алма-Атинский, Нивский, Ковдинский, Выгский, Свирский и др.

Разработка проектов совместного регулирования работы ГЭС водохранилищами каскадов, а также компенсированного регулирования водохранилищами соседних водотоков в увязке с работой тепловых станций позволяет находить наиболее эффективное энергоэкономическое решение проектируемых ГЭС, а также наиболее полное комплексное народнохозяйственное использование водотоков для удовлетворения всех заинтересованных потребителей.

Комплексное проектирование каскадов ГЭС и охват разработкой схем использования всех крупных водотоков данного промышленно-экономического района создали базу для перспективного планирования гидроэнергостроительства.

Такие перспективные планы на 5, 10 и более лет Гидроэнергопроектом были составлены в послевоенный период. В 1955, а затем в 1956 гг. Гидроэнергопроектом был разработан 15-летний перспективный план гидроэнергостроительства для всех важнейших промышленно-экономических районов Союза и для СССР в целом. Параллельно с этим был разработан аналогичный перспективный план проектно-изыскательских работ по гидроэнергостроительству на 15 лет.

Третьей особенностью работы Гидроэнергопроекта является глубокое энергоэкономическое обоснование проектов, базирующееся на изучении перспектив и выявлении рациональных путей развития и использования природных ресурсов отдельных промышленно-экономических районов и связанных с этим масштабов энергопотребления районов и перспективных потоков энергии.

Основные принципы планирования и проектирования энергетики, свойственные социалистическому хозяйству, были заложены в плане ГОЭЛРО. Эти принципы лежат в основе всей последующей плановой и проектной работы в области гидроэнергостроительства.

Энергоэкономическое проектирование в гидроэнергетике имеет своей целью выявление объекта гидроэнергостроительства, выбор основных параметров гидроэлектростанций, назначение наиболее целесообразного режима их работы в энергосистеме и определение экономической эффективности ГЭС с учетом комплексного использования водотоков.

Для гидростанции характерна всесторонняя зависимость от природных условий, определяющих местоположение и в значительной степени ее параметры.

Другая особенность гидростанций — зависимость выработки энергии от переменного естественного режима водотока. Отсюда возникают задачи рационального и гармоничного сочетания работы ГЭС и ТЭС и всемерного приспособления режима энергоотдачи ГЭС к требованиям потребителей. Это порождает проблему регулирования стока (многолетнего, сезонного, недельного, суточного), искусственно- меняющего режим водотока применительно к нуждам потребителей.

Выбор величины этого регулирования, влияющего на все параметры гидростанции, требует сопоставления затрат и энергетического эффекта. К этому следует добавить расчеты по увязке составных частей водохозяйственного комплекса.

Гидростанциям присущ также ряд специфических особенностей технического и экономического порядка, предопределяющих необходимость тщательного сопоставления параметров и показателей различных ГЭС для выбора к строительству того или другого объекта, к числу этих особенностей относятся:

а) большая величина единовременных вложений в гидростанцию при низкой стоимости энергии;

б) крупнейшее влияние, оказываемое ГЭС, на развитие производительных сил; решение- о строительстве ГЭС, в особенности в случае комплексного использования водотока, предопределяет зачастую направление многомиллиардных вложений в народное хозяйство, среди которых вложения в ГЭС занимают сравнительно скромное место;

в) вопросы, связанные с затоплением больших площадей водохранилищем.

Все это создает специфический для проектирования гидроэлектростанций большой объем и принципиальную важность энергоэкономических расчетов.

Энергоэкономические расчеты приобретают особое значение при разработке схем использования рек. Разбивка реки на ступени должна обеспечивать наилучшие условия для регулирования как каскада в целом, так и первоочередных установок. Должны быть выявлены интересы всех водопользователей и обеспечено рациональное сочетание «х интересов с учетом достаточно далекой перспективы.

Энергоэкономические расчеты проектного задания дают ответ на один из основных вопросов проектного задания — об экономической целесообразности сооружения данного объекта, на основе чего принимается решение о строительстве гидростанций с определенными параметрами и фиксированной стоимостью.

Особенно тщательно анализируются взаимосвязи и взаимозависимости гидростанций и энергосистемы. Побудительные мотивы к объединению электростанций и созданию крупных систем многообразны. Одним из важнейших мотивов является возможность более полного и эффективного использования гидроэнергетических ресурсов, степень использования которых может быть резко повышена при параллельной работе ГЭС и ТЭС.

Особенностью гидроэлектростанций является неравномерность выработки энергии во времени, которую обычно можно лишь частично выровнять при помощи водохранилища. Выбор установленной мощности ГЭС, равной постоянно обеспеченной по воде, привел бы к резкому недоиспользованию водотока.

Объединение гидроэлектростанций с тепловыми станциями в единой энергосистеме или работа крупной гидроэлектростанции в энергообъединении ряда систем позволяют выбрать для ГЭС большую мощность за счет возложения на нее ведения суточного и месячного регулирования, выполнения системных и ремонтных резервных функций и т. д.

Экономия топлива в системе достигается при совместной работе ГЭС и ТЭС также за счет улучшения режима работы тепловых станций. Присущие гидроэлектростанциям возможности быстрого пуска и остановки агрегатов, подъема, сброса и регулирования нагрузки с наименьшими энергетическими потерями делают их наиболее приспособленными к переменному режиму работы.

Это позволяет, как уже указывалось выше, возлагать на гидростанции снятие всех неравномерностей графика нагрузки, обеспечивая для тепловых станций оптимальный режим работы, при котором на тепловых станциях достигаются наименьшие удельные расходы топлива.

Одним из примеров рациональной организации совместной работы тепловых и гидравлических станций является использование Днепрогэс имени Ленина, которая до создания связи по ЛЭП 220 кв с тепловыми станциями Донбасса давала значительно меньшую выработку энергии.

В силу все более широкого развития централизованного энергоснабжения все энергоэкономические расчеты и обоснования исходят из условий работы ГЭС в энергосистеме. Поэтому выбор параметров ГЭС производится на основе проектирования функций ГЭС в энергосистеме, а именно: участия в покрытии графика нагрузки, регулирования частоты в системе, участия в покрытии резервов системы, работы в режиме компенсации реактивной мощности.

Основой для проектирования этих функций являются: перспективный уровень и режим потребления электроэнергии в энергосистеме, структура системы и ее связи с соседними системами, характеристика водотока и водохозяйственного режима ГЭС.

Масштабы энергопотребления системы, в которой будет работать ГЭС, разрабатываются на ряд перспективных расчетных уровней. Это вызывает необходимость разрабатывать перспективы развития народного хозяйства и электропотребления в районе влияния ГЭС на 10— 15 лет вперед.

Данные о перспективной нагрузке и ее изменении во времени характеризуют тот режим энергопотребления, к которому должен быть приспособлен режим выработки энергии электростанциями системы и таким образом получен баланс потребных и располагаемых мощностей.

Энергоэкономическое проектирование, как и проект в целом, полностью отражает комплексный характер использования водных ресурсов.

Так, при выборе схемы: 1) тщательно анализируется взаиморасположение ГЭС и подлежащих орошению площадей; 2) при разработке схемы регулирования учитываются отъемы на орошение, проверяется водообеспеченность поливного периода, в случае необходимости предусматривается внутрисезонное перерегулирование; 3) обеспечение интересов энергетики, заинтересованной в зимней воде, и ирригации, нуждающейся в воде в период вегетации, примиряются в ряде случаев путем устройства специальных контррегулирующих водохранилищ (перераспределяющих зимнюю воду, пропущенную через ГЭС, на лето) и попусками из верховых водохранилищ.

В ряде проектов предусматривается борьба с наводнениями путем проектирования специальной емкости водохранилища, определенных режимов сработки и т. д. Это имеет место в проекте осуществленной Мингечаурской ГЭС на р. Куре; постройка этой ГЭС позволила коренным образом оздоровить обширные пространства Кура-Араксинской низменности. Борьба с наводнениями предусматривается в проектировании гидростанций на ряде других водотоков, в частности на реках Дальнего Востока и Средней Азии.

Рис. Схема Волжско-Камского каскада

Определение эффективности гидроузла, имеющего комплексное народнохозяйственное значение, представляет собой сложную экономическую задачу.

При проектировании ГЭС, в особенности на равнинных реках с крупными водохранилищами, большое значение имеет разработка мероприятий по возмещению потерь в народном хозяйстве в связи с затоплениями. Затраты по водохранилищу в отдельных случаях достигают 50% полной стоимости ГЭС.

При проектировании мероприятий по водохранилищу рассматривается ряд основных групп мероприятий: переустройство затрагиваемых затоплениями и подтоплениями отраслей народного хозяйства и возмещение ущерба; подготовка водохранилища к хозяйственному его использованию (транспортному, рыбохозяйственному и др.); санитарная подготовка; инженерная защита от затоплений и берегопереработки.

Затоплениями и подтоплениями затрагиваются самые разнообразные отрасли народного хозяйства. Чаще и в наибольшей степени они затрагивают сельское хозяйство. Поэтому вопросы переустройства сельского хозяйства и переселения населения обычно являются доминирующими.

Сочетание интересов различных водопользователей весьма осложняет проектирование, и в ряде случаев в целях разрешения противоречий, особенно в районах сплошного орошения, между требованиями орошения и энергетики приходится идти на специальные мероприятия, обеспечивающие нормальное ведение основной в данном районе отрасли хозяйства — орошения, причем затраты по этому специальному мероприятию относятся на энергетику.

Четвертой особенностью работ Гидроэнергопроекта является тенденция к укрупнению мощности ГЭС и гидроагрегатов. Укрупнение агрегатов дает значительное снижение стоимости и сроков строительства здания ГЭС. Так, длина здания ГЭС на 1 тыс. кет мощности на Волховской ГЭС составила 2,3 м, на Щербаковской ГЭС — 0,7 м, а в настоящее время на Каховской и Кременчугской ГЭС — 0,5 м, на Новосибирской ГЭС — 0,44 м.

Средняя мощность строящихся в СССР гидроэлектростанций непрерывно увеличивается. Если до 1940 г. средняя мощность строившихся ГЭС составляла 80 Мвт, а в период 1941—1950 гг. она равнялась 175 Мвт, то средняя мощность ГЭС в период шестой пятилетки составит 370 Мвт.

Наиболее крупная гидростанция, строящаяся в шестом пятилетии, имеет мощность 4 000 Мвт. Для сравнения отметим, что средняя мощность существующих в США гидростанций составляет 14 Мвт, средняя мощность намечаемых к строительству 72 новых гидростанций немного выше 100 Мвт, наиболее крупная из существующих и строящихся в США ГЭС имеет мощность около 2 000 Мвт.

Гидроэнергопроект с самого начала своей деятельности направил большие усилия на исследования мощных рек Востока, на выявление возможности базирования на гидроэнергии будущего развития промышленности этих районов. В 1933 г. была составлена гипотеза использования Ангары и создания Байкало-Черемховского промышленно-экономического комплекса. В это же время были начаты исследования Енисея, а также основных притоков Амура.

Работы Гидроэнергопроекта по развитию гидроэнергостроительства в восточных районах определялись рядом решений партии и правительства о развитии районов востока.

В последнее время Гидроэнергопроект начал проводить крупные изыскательские и проектные работы по строительству новых мощных гидроэлектростанций в восточных районах.

По этим районам разработаны схемы Ангары, Енисея, Оби, Иртыша и проводятся работы по составлению схем рр. Зеи, Селенги, Бурей, а также Среднего Амура. Этими схемами? намечается комплексное использование указанных рек на ряде ступеней с мощностями, доходящими до нескольких миллионов киловатт на каждой.

Как уже отмечалось, приступлено к строительству Братской ГЭС мощностью 3,6 млн. квт на Нижней Ангаре намечено строительство еще двух ступеней: Усть-Илимской и Богучанской ГЭС, примерно таких же мощностей. Утверждено проектное задание Красноярской ГЭС мощностью 4 млн. квт.

Первоочередной гидроэлектростанцией на Иртыше намечена Шульбинская ГЭС мощностью более 500 тыс. квт; закончено проектное задание Каменской ГЭС на р. Оби мощностью 630 тыс. квт; на верхнем участке р. Чирчик запроектирована высоконапорная приплотинная Чарвакская ГЭС, улучшающая работу всего Чирчик-Бозсуйского ирригационно-энергетического тракта.

Практика развития энергосистем подтверждает развитие мощности гидроэлектростанций по мере развития систем. В связи с этим последние проектные проработки подтверждают необходимость повышения установленной мощности на ряде гидроэлектростанции.

Проведены и проводятся проработки по повышению мощности, ранее принятой на ряде ГЭС: Бухтарминской — на 90 тыс. квт, Уч-Курганской—на 48 тыс. квт, ДнепроГЭС— на 750 тыс. квт, Кременчугской — на 175 тыс. квт и др.

Гидроэнергопроектом давно уже проводится линия на повышение мощности гидроагрегатов и уменьшение их количества.

На Братской ГЭС принято 18 гидроагрегатов мощностью по 200 тыс. квт, т. е. почти в 2 раза превышающих мощность наиболее крупных агрегатов Куйбышевской и Сталинградской ГЭС. Применение таких агрегатов позволило максимальным образом упростить компоновку сооружения гидроузла, обеспечить удобные условия эксплуатации ГЭС при сравнительно небольшом при данной мощности ГЭС числе агрегатов и улучшить технико-экономические показатели ГЭС.

В проектном задании Красноярской ГЭС приняты как наиболее экономичные гидроагрегаты по 286 тыс. квт, но в техническом проекте будет рассмотрена возможность перехода на агрегаты более высокой мощности по новым разработкам заводом поворотно-лопастных турбин.

Это решение при малой длине створа сооружений позволит обойтись минимальным количеством гидроагрегатов и минимальной длиной машинного зала и свести к минимуму объемы скальных и бетонных работ.

Пересмотрены ранее принятые проектные решения в направлении укрупнения гидроагрератов на Бухтарминской ГЭС с 55 до 75 тыс. квт в единице, по Уч-Курганской ГЭС—с 28 до 50 тыс. квт, по Чир-Юртской ГЭС—с 20 до 36 тыс. квт и др., практически без изменений длины машинных помещений.